近几年来,我国修建了大量半刚性沥青路面结构,尤其是高速公路、一级公路普遍采用的沥青路面结构:4 cm上面层+5~6 cm中面层+6~8 cm下面层,采用30~35 cm水泥稳定碎石作为基层,采用20 m 石灰稳定土作为底基层。然而,通过调研发现,部分高速公路破坏严重,主要的病害表现为车辙、开裂以及坑槽。经过对设计施工运营等阶段的考究,发现造成高速公路沥青路面早期破坏的根本原因在于照搬规范,没有形成与自己地域环境相适应的设计体系。

本文以我国安徽省的交通状况为例,安徽位于华东腹地,是我国近海的内陆省份,经济处于快速发展阶段,物资运送相当频繁。此外,安徽地区高速公路上超载的现象非常常见。图 1为安徽省高速轴载实测情况。

图 1 安徽省高速公路超载情况分布比例图 Fig. 1 Expressway overload distribution in Anhui Province

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由图 1容易看出,安徽省高速公路在运营阶段超载情况严重,80%以上的车辆都是属于超载情况。因此针对安徽省高速公路沥青路面结构的设计,应适当考虑超载的情况。

本文在参考连霍高速、合徐北高速以及合六高速路面结构的基础上,选择如下路面结构作为代表结构进行有限元分析,具体如表 1所示。

本文利用ANSYS有限元分析软件对安徽省沥青路面代表结构建立有限元模型,并施加一系列轴载(包括标准轴载以及超载),分析沥青路面结构各力学响应量^[1]。众所周知,ANSYS对受力结构具有较好的仿真模拟,单元格划分得越精细,仿真的效果就越好。因此,本文在有限元划分时采用SOLID45单元,并根据以往成功经验选择模型的尺寸为5 m×5 m×6 m,单元总数在10万左右。模型中设定路面结构深度方向为Y轴方向,行车方向与Z轴一致,与行车方向垂直的水平方向用X轴表示。其中,在有限元模型边界条件的设定上,本文对路基底端约束3个方向的位移,X轴方向的两个截面约束X轴方向的位移,Z轴方向的两个截面对Z方向的位移进行约束,见图 2。此外假定各沥青层之间处于连续状态,其他的各结构层之间处于半连续状态^[2]。

图 2 路面结构三维有限元模型示意图 Fig. 2 Three-dimensional finite element model of pavement structure

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根据上述实测资料可知,安徽省高速公路沥青路面上超载情况较为普遍,因此有必要研究超载情况对半刚性沥青路面结构的影响^[3]。根据大量关于轮胎着地的研究资料表明,在行车轴载不断增加的情况下,轮胎与路面的接触形状不断接近矩形^[4],因此为双矩形轴载。本文根据实际情况采用表 2所列轴载,进行分析。

按照表 1中的路面结构及其参数,利用ANSYS有限元软件建立有限元模型,并施加表 2中的不同轴载,得出沥青路面结构力学响应量随轴载的变化规律^[5],如图 3所示。

图 3 不同轴载大小对路表弯沉的影响 Fig. 3 Influence of different axial loads on road surface deflection

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如图 3所示,随着汽车轴载的不断增加,路表弯沉值大小呈直线上升。当轴载为标准轴载时,路表弯沉为0.338 mm;当轴载增加80 kN时,路表弯沉增加到0.591 mm。当汽车轴载在100~180 kN之间时,轴载每增加10 kN,路表弯沉增加9.4%。

图 4为汽车轴载大小对沥青层底弯拉应力有着明显的影响。当轴载为标准轴载时,沥青层底弯拉应力为110.24 kPa;当轴载增加80 kN时,沥青层底弯拉应力为186.34 kPa。因此,当轴载为100~180 kN之间时,轴载每增加10 kN,沥青层底弯拉应力增加8.6%。

图 4 不同轴载大小对沥青层底拉应力的影响 Fig. 4 Influence of different axial loads on tensile stress at asphalt layer bottom

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在路面结构设计时^[6],对半刚性基层层底拉应力的控制主要是为了控制刚性基层出现断裂的情况。如图 5 所示,随着汽车轴载的不断增加,半刚性基层层底拉应力也不断增加。当汽车轴载在140 kN以下时,基层层底拉应力在200 kPa以下。一般而言,半刚性基层层底容许拉应力在200 kPa左右,由此可知,超载的发生对沥青路面的寿命有着明显的影响。当轴载由100 kN增加到180 kN时,半刚性基层层底拉应力增加了72.13%,即轴载每增加10 kN,层底拉应力增加9.1%。

图 5 不同轴载大小对基层层底拉应力的影响 Fig. 5 Influence of different axial loads on tensile stress at base course bottom

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路基顶面压应变指标可以用来控制路基顶面的沉降,即竖向承载力。查阅相关研究资料表明,路基顶面压应变一般控制在300 με以下,能有效控制路面的结构竖向承载力。由图 6可知,在轴载为180 kN时,路基顶面压应变仍处于300 με以下。此外,路基顶面压应变值随着轴载大小的增加呈直线增加。当轴载为100~180 kN之间时,轴载每增加10 kN,路基顶面压应变值增加9.7%。由此可知当汽车轴载超载100%以上,路基顶面压应变将超过300 με。

图 6 不同轴载大小对路基顶面压应变的影响 Fig. 6 Influence of different axial loads on compressive strain at subgrade top

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半刚性基层的干缩温缩裂缝是半刚性基层沥青路面结构的一大隐患,严重影响了沥青路面结构的使用寿命。安徽地区的高速公路沥青路面横向裂缝等病害较为明显,因此有必要研究设立级配碎石层以隔断半刚性基层与沥青层之间的反射裂缝^[7]。通常我们用级配碎石材料来实现应力吸收的作用。一般来说,级配碎石层过厚会减弱整体路面结构的刚度,太薄又使施工方面异常困难,根据以往研究,一般采用15 cm 的厚度,具体参数^[8]如表 3所示。

由于级配碎石层是松散材料修筑而成,因此弹性模量较低,变形相对较大。如图 7所示,在同样的轴载条件下,有级配碎石层的路面结构路表弯沉值比无级配碎石层的路面结构路表弯沉值稍大。在轴载为120 kN和140 kN时,有级配碎石层的路表弯沉值比无级配碎石层的大7%左右。

图 7 级配碎石层的设立对路表弯沉的影响 Fig. 7 Influence of establishment of graded crushed stone layer on road surface deflection

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由图 8所示,在沥青层弯拉应力方面,有级配碎石层的路面结构拉应力大于无级配碎石层^[9]。此外,在轴载为120 kN和140 kN时,有级配碎石层路面结构的拉应力比无级配碎石层的大6%左右。

图 8 级配碎石层的设立对沥青层底弯拉应力的影响 Fig. 8 Influence of establishment of graded crushed stone layer on bending tensile stress at asphalt layer bottom

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半刚性基层容易由于弯拉应力过大而产生裂缝,使得沥青层出现反射裂缝的情况^[10]。如图 9所示,由于级配碎石层的设立,半刚性基层层位下降,使得半刚性层底弯拉应力减小。此外,级配碎石层的设立也从根本上解决了反射裂缝的问题。由图 9分析可知,有级配碎石层的路面结构基层弯拉应力比无级配碎石层的小23%左右。

图 9 级配碎石层的设立对基层层底弯拉应力的影响 Fig. 9 Influence of establishment of graded crushed stone layer on bending tensile stress at base course bottom

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如图 10所示,在同样轴载作用下,有级配碎石层的沥青路面结构的路基顶面压应变小于不设级配碎石层的路面结构^[11]。由此可知,级配碎石层的设立使得沥青路面整体刚度有了明显的提升。此外,在轴载为120 kN和140 kN时,有级配碎石层的路面结构的路基顶面压应变比不设级配碎石层的路面结构小12%。

图 10 级配碎石层的设立对路基顶面压应变的影响 Fig. 10 Influence of establishment of graded crushed stone layer on compressive strain at subgrade top

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(1)半刚性沥青路面结构各项力学响应量,随着轴载的增加不断增加。其中,汽车轴载每增加10 kN,路表弯沉、半刚性基层拉应力以及路基顶面压应变分别增加9.4%,9.1%和9.7%。

(2)级配碎石层的设立可以明显减小沥青路面结构半刚性基层层底拉应力和路基顶面压应变指标。其中,半刚性层底拉应力减小23%,路基顶面压应变减小12%。